光電信號的探測

第三章光電信號的探測主要內(nèi)容光電系統(tǒng)簡介光學(xué)傳感器技術(shù)光電探測器信號放大技術(shù)直接探測技術(shù)外差探測技術(shù)第一節(jié)光電系統(tǒng)簡介光譜照明方式用途光電系統(tǒng)紅外光電系統(tǒng)可見光光電系統(tǒng)紫外光電系統(tǒng)主動被動光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)物理光學(xué)系統(tǒng)顯微系統(tǒng)光學(xué)測試系統(tǒng)天文光學(xué)系統(tǒng)醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)軍用光學(xué)系統(tǒng)一、光電系統(tǒng)分類二、光電系統(tǒng)的組成輻射源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測器電子系統(tǒng)記錄顯示存儲轉(zhuǎn)換控制被動照明方式：主動照明方式：輻射源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測器電子系統(tǒng)記錄顯示存儲轉(zhuǎn)換控制信息源信息源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測器電子系統(tǒng)記錄顯示存儲轉(zhuǎn)換控制輻射源第二節(jié)光學(xué)傳感技術(shù)對于光信號可以用一般式表示：

信號加載的方式：強(qiáng)度調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制頻率調(diào)制一、強(qiáng)度調(diào)制傳感技術(shù)以光的強(qiáng)度作為調(diào)制對象，利用外界因素使之改變，通過測量光強(qiáng)的變化來測量外界的物理量。調(diào)制方式：輻射式，反射式，遮擋式，透射式探測物體的輻射功率，光譜分析及溫度等參數(shù)，以便確定待測物體的存在，所處方位以及根據(jù)其光譜的分布分析它的物質(zhì)成份和性質(zhì)。例如：物體的測溫——斯特藩－波耳茲曼定律輻射式：比輻射率，：斯特藩－波耳茲曼，T：絕對溫度，：轉(zhuǎn)換系數(shù)黑體輻射定律：光電探測器輸出的電信號在漫反射某一位置上的光電探測器只能接收部分反射光，接受到的光通量大小與產(chǎn)生漫反射表面材料的性質(zhì)，表面的粗糙度、缺陷等因素有關(guān)，可監(jiān)測物體的外觀質(zhì)量可用于激光測距，激光制導(dǎo)，主動式夜視，電視攝像，文字判讀等方面。反射式Ev：被檢測表面的光照度，S：缺陷面積，：光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，1：缺陷表面的反射率，2：無缺陷表面的反射率光電探測器輸出的電信號被測物體部分活全部地遮擋式掃過入射光到探測器的光束，以便引起光探測器輸出信號的變化?？捎糜诠怆娪?jì)數(shù)，光電測速，光電自動開關(guān)，防盜報警等遮擋式I0：入射光強(qiáng)，L：介質(zhì)長度，：吸收系數(shù)，介質(zhì)的吸收系數(shù)與介質(zhì)的濃度成正比。可用于檢測流體、氣體的濃度，透明度；檢測透明薄膜的厚度和質(zhì)量，透明容器的缺陷，透明膠片的密度等通過物體的吸收或散射透射式二、相位傳感技術(shù)利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量的變化，光波的相位有光傳播的物理長度，傳播介質(zhì)的折射率及其分布等參數(shù)決定，改變其參量可產(chǎn)生光波相位的變化；一般采用光的干涉技術(shù)，導(dǎo)致光強(qiáng)的變化，實(shí)現(xiàn)物理量的測量。比如：激光相位測距，邁克爾遜干涉儀三、偏振傳感技術(shù)利用外界因素（應(yīng)力、磁場、電場等）可改變特定光學(xué)介質(zhì)的傳輸特性，調(diào)制從中通過的光的偏振狀態(tài)，由光偏振狀態(tài)的變化，可檢測出相位的外界參數(shù)旋光現(xiàn)象當(dāng)偏振光通過某些透明物質(zhì)（如石英晶體）時，偏振光的振動面將以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一定的角度，偏振光的振動面的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，旋轉(zhuǎn)角度的大小與波長、旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的厚度有關(guān)。d：物質(zhì)厚度，：旋光率，與物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長有關(guān)磁光法拉第效應(yīng)Vr：費(fèi)爾德常量（磁性材料所固有的，與波長溫度有關(guān)），H：磁場強(qiáng)度，L：長度，：角度克爾光電效應(yīng)當(dāng)外加電場作用在各向同性的透明介質(zhì)上時，各向同性物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，變成了具有雙折射現(xiàn)象的各向異性特性，no和ne為外加電場后尋常光和異常光的折射率，當(dāng)外加電場方向與光的傳播方向垂直，k為克爾常量，為波長，E為電場強(qiáng)度。光彈效應(yīng)當(dāng)外力或振動作用于彈性體時，彈性體產(chǎn)生應(yīng)變，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)no和ne為外加電場后尋常光和異常光的折射率，為波長，p為外力作用強(qiáng)度。利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率的變化來檢測外界物理量的原理，主要指光學(xué)多普勒頻移0：光源發(fā)出的原頻率，c＝c0/n：光在介質(zhì)中的傳播速度，c0：真空中的光束，n：介質(zhì)的折射率，v：物體的運(yùn)動速度，：相對速度方向和光傳播方向的夾角。四、頻率傳感技術(shù)第三節(jié)光電探測器的信號放大技術(shù)一、放大器的噪聲放大器的噪聲模型把放大器內(nèi)的所有噪聲源都折算到輸入端En輸入端串聯(lián)及用阻抗為無限大的噪聲電流發(fā)生器InVsi為信號電壓，Rs為信號源內(nèi)阻（或光探測器、傳感路內(nèi)阻），Ens是信號源噪聲，

Kv為放大器增益，Zi為放大器輸入阻抗，Vso、Eno為放大器輸出端的信號和噪聲電壓。二、最佳源電阻噪聲系數(shù)直接與源電阻Rs有關(guān)，選擇最佳電阻Rs可使噪聲系數(shù)F最小。通過求導(dǎo)，即可求得最佳源電阻當(dāng)放大器輸入阻抗為源電阻時，噪聲系數(shù)F達(dá)到最小值；在相同源電阻的條件下，隨著乘積EnIn的增加，F(xiàn)也增加；乘積EnIn大的曲線F隨Rs變化急劇。三、光電探測器前置放大器的要求一是要求探測器-前置放大器功率傳輸最大，即放大器的輸入電阻等于光探測器內(nèi)阻，工作于匹配狀態(tài)，其次，要求光探測器-前置放大器輸出最小的噪聲，即放大器要工作在最佳源電阻的情況下，此時在放大器輸出端可得到最大的信噪比。對于一個給定的光探測器，已知其輸入信號、響應(yīng)特性、阻抗、噪聲特性：1）首先從增益、帶寬著手設(shè)計(jì)放大器，再加反饋來增加帶寬和提高穩(wěn)定性，然后校核噪聲指標(biāo)。2）從阻抗匹配著手，通過負(fù)反饋滿足輸入、輸出阻抗匹配，再校核增益、帶寬、噪聲指標(biāo)是否達(dá)到要求。四、光電探測信號的耦合Rc1Rb1+VCC+T1+Re2Rc2T2-(d)直接耦合實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的目的阻容耦合C1RC1Rb1+VCCC2RL++T1++Rc2Rb2C3T2+變壓器耦合對于低噪聲放大器，源電阻的大小是選擇第一級放大元件的重要依據(jù)：如果源電阻小于100，可采用變壓器耦合；源電阻在10～1M之間，則多選用雙極晶體管作輸入級。源電阻在1k～1M之間選用運(yùn)算放大器；在1k～1G之間多用結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）；當(dāng)超過1M時，也選用MOSFET。五、源電阻的選擇第四節(jié)直接探測技術(shù)一、直接探測技術(shù)的物理過程直接探測是將待檢測的光信號直接入射到光探測器的光敏面上，由光探測器將光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流或電壓，根據(jù)不同的要求，再經(jīng)后續(xù)電路處理（如放大、濾波或各種信號變換等電路），最后獲得有用的信號。二、直接探測技術(shù)的信噪比入射到光探測器的信號光功率為Ps，噪聲功率為Pn，光探測器輸出的信號電功率為Sp，輸出的噪聲功率為Np：輸出功率的信噪比：直輸出信噪比等于輸入信噪比的平方。直接探測系統(tǒng)不適于輸入信噪比小于1或者微弱光信號的探測輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光—電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了3dB，在實(shí)際應(yīng)用中還是可以接受的。三、直接探測系統(tǒng)存在的總噪聲直接探測系統(tǒng)存在的信噪比當(dāng)直接探測系統(tǒng)主要為信號光引起的散粒噪聲限制（即量子噪聲限）——達(dá)到的最大信噪比極限四、直接探測系統(tǒng)輸出的等效噪聲功率熱噪聲：散粒噪聲：背景噪聲：信號噪聲：第四節(jié)外差探測技術(shù)一、外差探測的基本原理信號光：本征光：探測光：光電流：光電流：中頻電流：中頻電壓：二、外差探測技術(shù)的特點(diǎn)1、有利于微弱光信號的探測，因光外差探測中，光混頻器輸出的中頻信號功率正比于信號光和本振光平均光功率的乘積。2、可獲得全部信息。在光外差探測中，光混頻器輸出的中頻光電流的振幅、頻率、相位都隨信號光的振幅、頻率和相位的變化而變化。這使我們能把頻率調(diào)制和相位調(diào)制的信號光像幅度調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制一樣進(jìn)行解調(diào)。4、具有良好的濾波性能。在光外差探測過程中，只有與本振光混頻后所產(chǎn)生的輸出仍在中頻帶寬以內(nèi)的雜散背景光才能進(jìn)入探測系統(tǒng)，而其它雜散背景光所引起的噪聲則被中頻濾波器濾除掉。而且，雜散背景光不會在原來信號光和本振光所產(chǎn)生的相干項(xiàng)上產(chǎn)生附加的相干項(xiàng)。因此，對于光外差探測來說，雜散背景光的影響可以略去不計(jì)。4、具有高的轉(zhuǎn)換增益。探測器輸出的中頻功率光外差探測所提供的中頻功率轉(zhuǎn)換增益在實(shí)際應(yīng)用中，本振光功率PL（為毫瓦量級）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號光功率（一般在10-6～10-10W量級）。例如，當(dāng)PS＝10-10W，PL＝10-3W時，GIF＝2×107?？梢姽馔獠畹霓D(zhuǎn)換增益是非常高的。三、外差探測技術(shù)的信噪比外差探測所獲得的中頻信號：信號噪聲：熱噪聲：探測器的信噪比：探測器的噪聲：探測器的信噪比：對于熱噪聲為主要噪聲源的系統(tǒng)來說，要實(shí)現(xiàn)量子噪聲限探測，必須滿足（本征光的散粒噪聲大于熱噪聲）四、外差探測技術(shù)的等效噪聲功率這個量有時又稱為光外差探測的靈敏度。光外差探測的理論極限。該式表明，如果光混頻器的量子效率則光外差探測靈敏度的極限是一個光子。在實(shí)際的光外差探測中，光混頻器本身及負(fù)載電阻等總要引入熱噪聲；此外，放大器也有噪聲。這些都會使光外差探測的靈敏度降低（即使得NEP值增大）。因此，實(shí)際的光外差探測系統(tǒng)的探測靈敏度只能接近于理論極限。根據(jù)理論計(jì)算，光外差探測的靈敏度可比直接探測的靈敏度高7～8個數(shù)量級。探測靈敏度高是光外差探測的又一突出優(yōu)點(diǎn)。四、外差探測技術(shù)的空間和頻率條件空間條件：在推導(dǎo)光外差探測的信噪比和噪聲等效功率的表示式時，曾假定信號光束和本振光束重合并垂直入射到光混頻器表面上，亦即信號光和本振光的波前在光混頻器表面上保持相同的相位關(guān)系。由于光副射的波長比光混頻器的尺寸小得多，實(shí)質(zhì)上光混頻是在一個個小面積元上發(fā)生的，即總的中頻電流等于光混頻器表面上每一微分面積元所產(chǎn)生的微分中頻電流之和。很顯然，只有當(dāng)這些微分中頻電流保持恒定的相位關(guān)系時，總的中頻電流才會達(dá)到最大值。這就要求信號光和本振光的波前必須重合，也就是說，必須保持信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。頻率條件：光外差探測除了要求信號光和本振光必須保持空間準(zhǔn)直以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。從物理光學(xué)的觀點(diǎn)來看，光外差探測（或相干探測）是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。顯然，這種干涉取決于信號光束和本振光